煤矿智能化建设技术发展路径.docx

煤矿智能化建设技术发展路径 煤炭是我国的主体能源，为保障国家能源供给和能源安全做出了 巨大贡献。在未来较长时期内，煤炭在我国一次能源供应保障中的地 位和作用难以改变。但由于我国煤炭开采主要是地下作业，生产环境 恶劣多变，并受地质条件及瓦斯、水、火、冲击地压等多种自然灾害 的威胁，煤矿安全生产面临极大挑战。同时，我国人口老龄化趋势加 快，劳动力资源明显减少，也给煤矿未来发展带来巨大影响。 随着科技的进步，物联网、大数据、云计算、5G、人工智能等技 术得到快速发展，已成为新一轮科技革命及产业升级的重要着力点『 2］。采用新一代智能化技术改造煤矿传统生产方式，改善煤矿生产环 境条件，减少井下作业人员，构建安全、高效、绿色的无人或少人化 智能矿山，已经成为煤炭企业转型升级发展的重要举措。2020年2月， 国家发展改革委、国家能源局等8部委印发《关于加快煤矿智能化发 展的指导意见》提出，到2021年，建成多种类型、不同模式的智能 化示范煤矿；到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化； 到2035年，各类煤矿基本实现智能化。煤矿智能化建设已经成为行 业推进煤炭产业高质量发展的主要任务。 煤矿智能化建设是一个复杂的系统工程，近年来，我国在煤矿智 能化开发领域通过不断加大政策扶持、资金支持和科技创新的力度， 煤矿智能化技术的研究与应用取得较大成果。但在建设过程中还有许 多问题需要解决。第一，随着煤炭开采的不断深入与快速发展，要求 实现准确、高效、协同的智能化少人、无人开采新模式，客观上对全 矿井网络化、智能化建设提出了更高要求；第二，随着煤矿网络化、 智能化程度的提高，系统复杂性增加，传统的控制系统和信息化系统 已不能承载多源异构、复杂网络系统之间的高效协同，需要构建更加 智能的系统实现创新应用；第三，行业内对智能矿山认识程度不同， 没有形成统一共识。智能化建设过程中，煤矿信息孤岛依然存在，信 息不能共享。各子系统独立组网，传感网络、无线宽带网络相互独立 没有融合，部分矿井虽然使用了基于LTE-4G/5G宽带的无线通讯网络， 但功能单一，没有与生产数据相结合，未能实现数据高度融合，没有 参与到控制系统中，也制约了矿山整体智能化技术的应用。 1煤矿智能化开采的演进及其特征 煤炭开采经历了爆破开采、机械化开采，目前已向智能化开采演 进与发展。在不同阶段，主要生产要素与基础设施也随之发生变化并 升级，煤炭不同开采阶段生产要素与基础设施变化如图1所示。 生产要素变化：人力+火薮=煤机装备+人力=> 卸能系统+智能装备+人才 基础设施变化：井卷工程=> 井巷工程+电力=> 井巷工程+电力+网络 图1煤炭不同开采阶段生产要素与基础设施变化 爆破开采阶段，主要包括落煤、装煤、运煤、支护、采空区处 理等工序。其特点是爆破落煤、人工装煤与运煤，用单体支柱支护工 作空间顶板。生产要素是人力和火药。人力作为主要的生产要素，生 产力较低，人员伤亡严重，基础设施是井巷工程。 机械化开采阶段，主要运用一系列的煤机装备代替人工进行 开采，如采煤工作面采用综合机械化采煤，主要有采煤机、刮板输送 机、液压支架等，由人工操作机器，将人员从直接开采中解放出来变 为操作机器开采。生产要素是煤机装备和人力，煤机装备作为主要的 生产要素，起着较大的作用，人力起着辅助作用。煤机装备的动力主 要来源于电力，因此在井巷工程基础上，电力是其新增的重要基础设 施。 智能化开采阶段，主要利用智能系统远程控制煤机装备，使煤 矿井下实现少人化、无人化，进一步将人员从煤矿井下解放出来，达 到无人值守、减少煤矿人员伤亡的目标。生产要素主要是智能系统、 智能装备和人才，其中智能系统是由智能感知传感器、智能控制执行 装置、数据传输网络、数据采集存储设备、集成大数据与人工智能的 管控平台等组成，包括智能开采、智能掘进、智能运输、智能排水、 智能通风等智能化系统；智能装备是具有智能运行的煤机设备和机器 人；人才是能掌控智能设备、能进行更高层次的生产规划、设计与管 理的人员。支撑智能化开采的主要基础设施是数字化井巷工程、电力 和网络，其中数字化井巷工程是采用地理信息系统(GIS)描述的井巷 工程，电力是智能化供电系统，网络作为新的基础设施，在智能化开 采阶段的整个智能系统中发挥重要作用。 从煤炭不同开采阶段生产要素与基础设施的变化中可以看出，人 力的作用在逐渐减小，机器智能或系统智能的作用在逐渐增加。在爆 破开采阶段，矿山生产过程主要靠人力来完成，人力处于第1位的生 产要素，解决的主要问题是人力问题和巷道安全问题；在机械化开采 阶段，人力已经退居第2位，主要解决制约煤机装备发展的技术瓶颈， 提高煤机装备功率和可靠性等，以提高产能；而在智能化开采阶段， 其主要生产要素有了本质变化，其显著特征是“少人化、无人